低通滤波器报告

课程设计题目低通微带阶梯阻抗滤波器的设计学生姓名学号1113014139所在院(系)物理与电信工程学院专业班级电子1104指导教师聂翔完成地点博远楼计算机实验室2014年12月25日1.引言...........................................................................................................-1-2.ADS简介....................................................................................................-1-3.微波滤波器介绍..........................................................................................-1-3.1微波滤波器概述..................................................................................-1-3.2滤波器的主要参数（Definitions）.........................................................-1-3.3滤波器的衰减特性.............................................................................-3-4低通微带阶梯阻抗滤波器设计......................................................................-3-4.1短传输线段的近似等效电路................................................................-3-4.2低通微带阶梯阻抗滤波器的设计指标.....................................................-4-4.3低通微带阶梯阻抗滤波器的设计步骤.....................................................-4-5.原理图仿真与优化........................................................................................-9-6．生成阶梯阻抗低通滤波器版图...................................................................-14-7.版图仿真...................................................................................................-15-8．结论及总结.............................................................................................-16-参考文献：..................................................................................................-17--1-1.引言当频率不高时，集总元件滤波器工作良好，但当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的元件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元件，其二是此时工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，滤波器元件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。分布参数滤波器的种类很多，本文讨论的分布参数低通滤波器采用微带短截线实现，本文将给出由集总元件低通滤波器变换为分布参数低通滤波器的方法，并采用ADS软件对微带低通滤波器进行仿真，给出符合技术指标的微带低通滤波器版图。2.ADS简介ADS(AdvancedDesignSystem)，是美国安捷伦(Agilent)公司推出的一套电子设计自动化软件，它的功能十分强大，仿真手段丰富多样，包含时域电路仿真、频域电路仿真、三维电磁仿真、通信系统仿真以及数字信号处理仿真设计等等，并能够对设计结果进行成品率的分析与优化，很大程度地提高了复杂电路的设计效率，是一款非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。3.微波滤波器介绍3.1微波滤波器概述在微波波段的滤波器可以通过多种方式来实现，包括同轴线，波导，介质谐振器，微带线等。在平面电路中最常用的是微带型滤波器，微带线滤波器具有小尺寸，用光刻技术易于加工易与其他有源电路元件(如MMIC)集在一起；另外，它能通过采用不同的衬底材料在很大的频率范围内(从几MHz到几十GHz)应用。下面是几种常见结构的滤波器：平行耦合微带线滤波器、交指型滤波器、发夹型滤波器。其中半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式，其结构紧凑，第二寄生通带的中心频率位于主通中心频率的3倍处，适应频率范围大、，适用于宽带滤波器时相对带宽达20％。其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤器在一个方向上占用了较大空间。3.2滤波器的主要参数（Definitions）中心频率（CenterFrequency）：滤波器通带的频率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。-2-截止频率（CutoffFrequency）：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。通带带宽（BWxdB）：指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB表征滤波器通带带宽参数。分数带宽（fractionalbandwidth）=BW3dB/f0×100[%]，也常用来表征滤波器通带带宽。插入损耗（InsertionLoss）：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征，如要求全带内插损需强调。纹波（Ripple）：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。带内波动（PassbandRiplpe）：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。带内驻波比（VSWR）：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR1BWdBBWdBdiv在入射波和反射波相位相同的地方，电压振幅相加为最大电压振幅Vmax，形成波腹；在入射波和反射波相位相反的地方电压振幅相减为最小电压振幅Vmin，形成波节。其它各点的振幅值则介于波腹与波节之间。这种合成波称为行驻波。驻波比是驻波波腹处的电压幅值Vmax与波节处的电压幅值Vmin之比。回波损耗（ReturnLoss）：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10ρ|，ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。回波损耗，又称为反射损耗。是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。从数学角度看，回波损耗为-10lg[(反射功率)/(入射功率)]。回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量As-IL；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标——矩形系数（KxdB1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可为40dB、30dB、20dB等）。滤波器阶数越多矩形度越高——即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。延迟（Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。-3-带内相位线性度：该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度。3.3滤波器的衰减特性因通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性,即式中,Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。随着频率的不同其数值不同，这就是滤波器的衰减特性。根据衰减特性,滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种。这四种微波滤波器的特性都可由低通原型特性变换而来。上式仅表示某个频率的衰减。为了描述衰减特性与频率的相关性,通常使用数学多项式来逼近滤波器特性。最平坦型用巴特沃士(Butterworth),等波纹型用切比雪夫(Tchebeshev),陡峭型用椭圆函数型(Elliptic)，等延时用高斯多项式（Gaussian）。下表给出这四种类型滤波器的基本特性。对于微波应用，集总元件电路必须变更到由传输线段组成的分布元件，理查德（Richard）变换和科洛达（Kuroda）恒等关系提供了这个手段。4低通微带阶梯阻抗滤波器设计4.1短传输线段的近似等效电路阶梯阻抗低通滤波器是由特性阻抗很高或很低的短传输线段构成，短传输线段的近似等效电路需要讨论。一段特性阻抗为0Z、长度为L的传输线的Z矩阵为22122111ZZZZljZlljZcotcscjZ-csclcotjZ-0000一段传输线的网络参量与集总元器件T形网络的网络参量有等效关系。集总元器件T形网络的Z矩阵为32333122211211ZZZZZZZZZZ假定集总元器件T形网络由电感和电容构成，若假定传输线有大的特性阻抗和短的长度（），一段短传输线与集总元器件T形网络的等效关系为0XlYB0dBPPLLinAlg10=-4-从前面的讨论可以知道，一段特性阻抗很高的传输线可以等效为串联电感。而且传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短；一段特性阻抗很低的传输线可以等效为并联电容，而且传输线的特性阻抗越低所需的传输线长度也越短。正是因为上面的原因，等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值。4.2低通微带阶梯阻抗滤波器的设计指标学习微波滤波器设计原理与流程，使用ADS软件中传输线分析综合工具计算微带线的宽度和长度，最终实现滤波器的综合和仿真。设计微带线阶梯阻抗低通滤波器，要求截止频率为3GHz，通带内波纹为0.5dB，在6GHz处具有不小于40dB的衰减，系统输入、输出阻抗为50Ω，微带线厚1mm，介质相对介电常数为2.7，选微带线特性阻抗最大值Zh=120Ω，特性阻抗最小值Zl=15Ω。4.3低通微带阶梯阻抗滤波器的设计步骤1．创建项目下面将创建一个分布参数低通滤波器项目，所有的设计都将保存在这个项目之中。创建项目的步骤如下。（1）启动ADS软件，弹出主视窗。（2）选择主视窗中【File】菜单→【NewProject】，弹出【NewProject】对话框，在【NewProject】对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为MicrostripFilter_Lowpass，默认的长度单位选为millimeter。（3）单击【NewProject】对话框中的【OK】按钮，完成创建分布参数低通滤波器项目。2